JP2017150819A

JP2017150819A - Gas sensor

Info

Publication number: JP2017150819A
Application number: JP2016030564A
Authority: JP
Inventors: 裕松尾; Yutaka Matsuo
Original assignee: TDK Corp
Current assignee: TDK Corp
Priority date: 2016-02-22
Filing date: 2016-02-22
Publication date: 2017-08-31

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a gas sensor which can accurately detect gas, and which can miniaturize a package.SOLUTION: A gas sensor includes: a first substrate including a gas sensor element; a second substrate including a temperature sensor; and a cavity part formed by a surface of the first substrate, which includes the gas sensor element, a surface of the second substrate, which includes the temperature sensor, and a connection part for connecting the first substrate and the second substrate. The cavity part includes ventilation means. At least a part of the temperature sensor is preferably located at a position overlapping with the gas sensor element across the cavity part.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、ガスセンサ素子（検知素子とヒータ）を用いて、対象ガスを検知するガスセンサに関するものである。 The present invention relates to a gas sensor that detects a target gas using a gas sensor element (a detection element and a heater).

対象ガスを検知する手段として、大気中の熱伝導率と対象ガスの熱伝導率の差を使用した熱伝導式、対象ガスと触媒との反応熱を使用した接触燃焼式、金属酸化物半導体のガス吸着による電気伝導度の差を使用した半導体式などが知られている。 As a means of detecting the target gas, a heat conduction type using the difference between the thermal conductivity in the atmosphere and the target gas, a catalytic combustion type using the heat of reaction between the target gas and the catalyst, a metal oxide semiconductor A semiconductor type using a difference in electric conductivity due to gas adsorption is known.

これらのガスセンサ素子は、検知素子とヒータから構成され、ヒータにより検知素子が一定の温度に加熱されることで検知素子が対象ガスを検知するものである。ガスセンサ素子による対象ガスの検知は、ガスセンサ素子の周辺の環境温度の影響を受けるためより高精度の測定を行うために、環境温度を測定する手段（温度センサ）が必要となる。 These gas sensor elements are composed of a detection element and a heater, and the detection element detects the target gas when the detection element is heated to a certain temperature by the heater. Since the detection of the target gas by the gas sensor element is affected by the ambient temperature around the gas sensor element, a means (temperature sensor) for measuring the ambient temperature is required to perform measurement with higher accuracy.

特許文献１には、検知素子（金属酸化物）と環境温度（動作温度）を測定する手段を半導体チップ上に構成したガス検知装置が開示されている。このガス検知装置は、検知素子と環境温度が同一半導体チップ上に形成されており、半導体チップをヘッダーに実装することでガス検知装置として構成される。 Patent Document 1 discloses a gas detection device in which a detection element (metal oxide) and a means for measuring environmental temperature (operation temperature) are configured on a semiconductor chip. This gas detection device has a detection element and an environmental temperature formed on the same semiconductor chip, and is configured as a gas detection device by mounting the semiconductor chip on a header.

特公昭５９−０４２８２６号公報Japanese Patent Publication No.59-042826

特許文献１で開示されたガス検知装置では、検知素子と環境温度を測定する手段を同一半導体チップで形成することで、信頼性が高く、かつ均一な特性を有する超小型ガス検知装置を多量に製造することができるとしている。しかしながら、パッケージに半導体チップをダイボンディングして、ワイヤボンディングしており、ガスセンサのパッケージの小型化については十分な考慮がなされていない。 In the gas detector disclosed in Patent Document 1, a large number of ultra-compact gas detectors having high reliability and uniform characteristics are formed by forming the detection element and the means for measuring the environmental temperature with the same semiconductor chip. It can be manufactured. However, semiconductor chips are die-bonded to the package and wire-bonded, and sufficient consideration has not been given to downsizing the gas sensor package.

本発明は、以上の点を考慮してなされたものであり、環境温度の測定により高精度なガス検知が可能で、更なるパッケージの小型化が可能なガスセンサを提供することを目的とする。 The present invention has been made in consideration of the above points, and an object of the present invention is to provide a gas sensor that can detect a gas with high accuracy by measuring an ambient temperature and can further reduce the size of a package.

上記の目的を達成するため本発明に係わるガスセンサは、ガスセンサ素子を有する第一の基板と、温度センサを有する第二の基板と、前記第一の基板の前記ガスセンサ素子を有する面と、前記第二の基板の前記温度センサを有する面と、前記第一の基板と前記第二の基板を接合する接合部により形成された空洞部を有し、前記空洞部は、通気手段を有することを特徴するガスセンサである。 In order to achieve the above object, a gas sensor according to the present invention includes a first substrate having a gas sensor element, a second substrate having a temperature sensor, a surface of the first substrate having the gas sensor element, and the first substrate. A surface of the second substrate having the temperature sensor, and a cavity formed by a joint for joining the first substrate and the second substrate, and the cavity has a ventilation means. It is a gas sensor.

本発明における、前記温度センサの少なくとも一部は、前記空洞部を挟んで前記ガスセンサ素子と重なる位置にあることを特徴とするガスセンサとしてもよい。 In the present invention, at least a part of the temperature sensor may be in a position overlapping the gas sensor element with the hollow portion interposed therebetween.

本発明における、前記第二の基板は、前記ガスセンサ素子からの信号を処理する信号処理回路を備えることを特徴とするガスセンサとしてもよい。 In the present invention, the second substrate may be a gas sensor including a signal processing circuit that processes a signal from the gas sensor element.

本発明における、前記通気手段は、前記接合部の少なくとも一部がガス透過性を有する材質構成部であることを特徴とするガスセンサとしてもよい。 In the present invention, the ventilation means may be a gas sensor characterized in that at least a part of the joining portion is a material constituting portion having gas permeability.

本発明における、前記通気手段は、前記接合部の通気部であることを特徴とするガスセンサとしてもよい。 In the present invention, the ventilation means may be a gas sensor that is a ventilation portion of the joint portion.

本発明によれば、第一の基板と第二の基板が接合部により接合して間に空洞部が形成されることで、第一の基板のガスセンサ素子が第二の基板と接合部によってパッケージされる。また、空洞部に通気手段を備えることで、パッケージ外部から対象ガスを導入する機能を持つことになる。さらに、第二の基板の温度センサによって、環境温度の測定が可能なパッケージされたガスセンサとなる。第二の基板がパッケージと温度センサの２つの機能を持つことで、ＣＡＮパッケージやセラミックパッケージ等の部材および実装が不要で、環境温度の測定可能な小型で高精度のガスセンサが可能となる。 According to the present invention, the gas sensor element of the first substrate is packaged by the second substrate and the joint portion by joining the first substrate and the second substrate by the joint portion and forming a cavity therebetween. Is done. Moreover, by providing a ventilation means in a cavity part, it has the function to introduce | transduce target gas from the package exterior. Furthermore, the second substrate temperature sensor provides a packaged gas sensor capable of measuring the ambient temperature. Since the second substrate has two functions of a package and a temperature sensor, a member such as a CAN package or a ceramic package and mounting are unnecessary, and a small and highly accurate gas sensor capable of measuring the environmental temperature is possible.

温度センサとガスセンサ素子が概ね重なる位置にあることで、環境温度をより正確に知ることが可能となる。 Since the temperature sensor and the gas sensor element are approximately overlapped, the environmental temperature can be known more accurately.

第二の基板にガスセンサ素子からの信号を処理する回路を備えることで、外部に信号処理回路が不要となり、より小型なガスセンサが可能となる。 By providing a circuit for processing a signal from the gas sensor element on the second substrate, a signal processing circuit is not required outside, and a more compact gas sensor is possible.

第一の基板と第二の基板を接合する接合部が通気手段すなわちガス透過性を備えることで、第一の基板または第二の基板に通気手段を備えずとも対象ガスの検知が可能となる。 Since the joining portion that joins the first substrate and the second substrate has ventilation means, that is, gas permeability, the target gas can be detected without providing the first substrate or the second substrate with ventilation means. .

第一の基板と第二の基板を接合する接合部の外周の一部に接合部が存在しないことで、第一の基板または第二の基板に通気手段を備えずとも対象ガスの検知が可能となる。 Since there is no bonding part at the outer periphery of the bonding part for bonding the first substrate and the second substrate, it is possible to detect the target gas without providing the first substrate or the second substrate with ventilation means. It becomes.

第１実施形態におけるガスセンサの断面図である。It is sectional drawing of the gas sensor in 1st Embodiment. 第１実施形態におけるガスセンサ素子基板の断面図である。It is sectional drawing of the gas sensor element board | substrate in 1st Embodiment. 第１実施形態におけるガスセンサ素子基板の上面図である。It is a top view of the gas sensor element board | substrate in 1st Embodiment. 第２実施形態における第１の感熱素子の断面図である。It is sectional drawing of the 1st thermal element in 2nd Embodiment. 第３実施形態におけるガスセンサの断面図である。It is sectional drawing of the gas sensor in 3rd Embodiment. 第５実施形態における感熱素子の上面図である。It is a top view of the thermosensitive element in 5th Embodiment. 変形例における第１の感熱素子の断面図である。It is sectional drawing of the 1st thermal element in a modification.

以下、図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明する。なお、本発明は以下の実施形態に限定されるものではない。また以下に記載した構成要素には、当業者が容易に想定できるもの、実質的に同一のものが含まれる。さらに以下に記載した構成要素は、適宜組み合わせることができる。また、図面は模式的なものであり、厚み及び平面寸法などは、本実施形態の効果が得られる範囲内で現実のガスセンサとは異なっていてもかまわない。 Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In addition, this invention is not limited to the following embodiment. The constituent elements described below include those that can be easily assumed by those skilled in the art and those that are substantially the same. Furthermore, the constituent elements described below can be appropriately combined. Further, the drawings are schematic, and the thickness, planar dimensions, and the like may be different from those of an actual gas sensor within a range in which the effect of the present embodiment can be obtained.

（第１実施形態）
第１実施形態について図１から図３を用いて説明する。図１は第１の実施形態におけるガスセンサの断面図、図２は第１の実施形態におけるガスセンサ素子基板の断面図、図３は第１の実施形態におけるガスセンサ素子基板の上面図である。図１に示すように第１実施形態のガスセンサ１００はガスセンサ基板１と温度センサ基板２と接合部６から構成される。ガスセンサ基板１の表面にはガスセンサ素子３とパッド電極８が形成されている。また、ガスセンサ基板１の裏面には信号取出し電極１１が形成されている。また、ガスセンサ基板１の表面と裏面を貫通してパッド電極８と信号取出し電極１１を導通させるための貫通電極１０が形成されている。また、ガスセンサ基板１のガスセンサ素子３の形成されている部分を含む領域が一部除去されたキャビティ９が形成されている。キャビティ９はガスセンサ素子３を中空構造にすることで熱容量を小さくするために形成されているもので、熱容量を小さくする必要がない場合は存在していなくてもかまわない。また、ガスセンサ基板１の表面と裏面を貫通して、表面と裏面を通気する通気孔７が形成されている。温度センサ基板２の表面には温度センサ４とパッド電極８が形成されている。ガスセンサ基板１の表面と温度センサ基板２の表面が対面して間に空洞部５が形成されるように、ガスセンサ基板１と温度センサ基板２の外周部に接合部６が形成される。ガスセンサ基板１と温度センサ基板２の外形サイズはほぼ同じとなるようにしている。センサ素子基板１のパッド電極８と温度センサ基板２のパッド電極８を導通させる接続電極１２が形成されている。 (First embodiment)
A first embodiment will be described with reference to FIGS. 1 is a sectional view of a gas sensor according to the first embodiment, FIG. 2 is a sectional view of a gas sensor element substrate according to the first embodiment, and FIG. 3 is a top view of the gas sensor element substrate according to the first embodiment. As shown in FIG. 1, the gas sensor 100 of the first embodiment includes a gas sensor substrate 1, a temperature sensor substrate 2, and a joint 6. A gas sensor element 3 and a pad electrode 8 are formed on the surface of the gas sensor substrate 1. A signal extraction electrode 11 is formed on the back surface of the gas sensor substrate 1. In addition, a through electrode 10 is formed through the front and back surfaces of the gas sensor substrate 1 to make the pad electrode 8 and the signal extraction electrode 11 conductive. Also, a cavity 9 is formed by removing a part of the gas sensor substrate 1 including a portion where the gas sensor element 3 is formed. The cavity 9 is formed in order to reduce the heat capacity by making the gas sensor element 3 into a hollow structure, and may not be present if it is not necessary to reduce the heat capacity. In addition, a vent hole 7 is formed through the front surface and the back surface of the gas sensor substrate 1 to ventilate the front surface and the back surface. A temperature sensor 4 and a pad electrode 8 are formed on the surface of the temperature sensor substrate 2. A junction 6 is formed on the outer periphery of the gas sensor substrate 1 and the temperature sensor substrate 2 such that the cavity 5 is formed between the surface of the gas sensor substrate 1 and the surface of the temperature sensor substrate 2 facing each other. The gas sensor substrate 1 and the temperature sensor substrate 2 have substantially the same outer size. A connection electrode 12 is formed to electrically connect the pad electrode 8 of the sensor element substrate 1 and the pad electrode 8 of the temperature sensor substrate 2.

図１に示すガスセンサ１００は、空洞部５が通気孔７により空洞部５以外と通気されている。すなわち、通気孔７はガスセンサ基板１と温度センサ基板２と接合部６でパッケージされたガスセンサ素子３へ対象ガスを導入する機能を持っている。 In the gas sensor 100 shown in FIG. 1, the cavity 5 is ventilated by the vent hole 7 other than the cavity 5. That is, the vent hole 7 has a function of introducing the target gas into the gas sensor element 3 packaged by the gas sensor substrate 1, the temperature sensor substrate 2, and the joint 6.

図１に示すガスセンサ１００は、信号取出し電極１１によりガスセンサ素子３と温度センサ４の検出信号を取り出している。ガスセンサ素子３はガスセンサ基板１の電極パッド８、貫通電極１０を介して信号取出し電極１１に導通される。温度センサ４は温度センサ基板２の電極パッド８、接続電極１２、ガスセンサ基板１の電極パッド８、貫通電極１０を介して信号取出し電極１１に導通される。 The gas sensor 100 shown in FIG. 1 takes out detection signals from the gas sensor element 3 and the temperature sensor 4 by means of signal extraction electrodes 11. The gas sensor element 3 is electrically connected to the signal extraction electrode 11 through the electrode pad 8 and the through electrode 10 of the gas sensor substrate 1. The temperature sensor 4 is electrically connected to the signal extraction electrode 11 through the electrode pad 8 of the temperature sensor substrate 2, the connection electrode 12, the electrode pad 8 of the gas sensor substrate 1, and the through electrode 10.

図２のガスセンサ素子基板１０１は、図１で示したガスセンサ１００のガスセンサ基板１およびガスセンサ素子３を含む部分を詳細に示したものである。ガスセンサ基板１の表面とキャビティ９を覆うように下部絶縁膜１６が形成される。下部絶縁膜１６の上にヒータ電極１５が形成される。キャビティ９の領域上にヒータ電極１５を形成することで、ヒータ電極１５による発熱がガスセンサ基板１へ放熱されることを低減することが可能となる。ヒータ電極１５を覆うように中間絶縁膜１７が形成される。中間絶縁膜１７の上に検知電極１３と検知膜１４が形成される。検知電極１３と検知膜１４を覆うように上部絶縁膜１８が形成される。ガスセンサ素子３は検知電極１３、検知膜１４、ヒータ電極１５、下部絶縁膜１６、中間絶縁膜１７、上部絶縁膜１８が積層されている部分となる。上部絶縁膜１８は検知膜１４を保護する必要がある場合に形成されるもので、検知膜１４の保護が必要ない場合には存在していなくてもかまわない。熱伝導式のガスセンサでは上部保護膜１８があることが望ましく、半導体式のガスセンサ素子では、上部保護膜１８がないことが望ましい。また、図示していないが、上部絶縁膜１８の上に触媒を形成して接触燃焼式とすることも可能である。 The gas sensor element substrate 101 of FIG. 2 shows in detail the part including the gas sensor substrate 1 and the gas sensor element 3 of the gas sensor 100 shown in FIG. A lower insulating film 16 is formed so as to cover the surface of the gas sensor substrate 1 and the cavity 9. A heater electrode 15 is formed on the lower insulating film 16. By forming the heater electrode 15 on the area of the cavity 9, it is possible to reduce the heat generated by the heater electrode 15 from being radiated to the gas sensor substrate 1. An intermediate insulating film 17 is formed so as to cover the heater electrode 15. The detection electrode 13 and the detection film 14 are formed on the intermediate insulating film 17. An upper insulating film 18 is formed so as to cover the detection electrode 13 and the detection film 14. The gas sensor element 3 is a portion where the detection electrode 13, the detection film 14, the heater electrode 15, the lower insulating film 16, the intermediate insulating film 17, and the upper insulating film 18 are laminated. The upper insulating film 18 is formed when the detection film 14 needs to be protected, and may not be present when the detection film 14 is not required to be protected. In the heat conduction type gas sensor, it is desirable to have the upper protective film 18, and in the semiconductor type gas sensor element, it is desirable that there is no upper protective film 18. Although not shown, it is also possible to form a catalyst on the upper insulating film 18 so as to be a contact combustion type.

図３のガスセンサ素子基板１０２は、図２のガスセンサ素子基板１０１と接合部６の上面図を示したものである。接合部６はガスセンサ基板１の外周部を完全に取り囲むように形成されている。通気孔７は接合部６の内側に形成されている。通気孔７はキャビティ９の領域外に形成されているが、キャビティ９の領域に形成されていてもかまわない。キャビティ９の形成はガスセンサ素子３の形成後にエッチングにより基板を除去することにより行うことが出来き、キャビティ９を形成するための孔がキャビティ９の領域に存在する（図示せず）。また事前にキャビティ９を形成した貼り合せ基板、いわゆるキャビティ付ＳＯＩ基板（ＳｉｌｉｃｏｎｏｎＩｎｓｕｌａｔｏｒ基板）を用いてガスセンサ素子３の下部を部分的にエッチングすることで形成してもかまわない。 A gas sensor element substrate 102 in FIG. 3 is a top view of the gas sensor element substrate 101 in FIG. The joint portion 6 is formed so as to completely surround the outer peripheral portion of the gas sensor substrate 1. The vent hole 7 is formed inside the joint portion 6. The vent hole 7 is formed outside the cavity 9 region, but may be formed in the cavity 9 region. The cavity 9 can be formed by removing the substrate by etching after the gas sensor element 3 is formed, and a hole for forming the cavity 9 exists in the region of the cavity 9 (not shown). Alternatively, it may be formed by partially etching the lower part of the gas sensor element 3 using a bonded substrate in which the cavity 9 is formed in advance, that is, a so-called cavity-attached SOI substrate (Silicon on Insulator substrate).

ここでガスセンサ素子３と温度センサ４について記載する。ガスセンサ素子３としては、例えば、熱伝導式、半導体式、接触燃焼式などの方式が好適である。対象ガスによって好適な方式を選択することが出来る。温度センサ４としては、例えば、サーマルダイオードなどの半導体、複合金属酸化物等の負の温度係数を有するサーミスタなどが好適である。 Here, the gas sensor element 3 and the temperature sensor 4 will be described. As the gas sensor element 3, for example, a heat conduction type, a semiconductor type, a contact combustion type, or the like is suitable. A suitable method can be selected depending on the target gas. As the temperature sensor 4, for example, a semiconductor such as a thermal diode, a thermistor having a negative temperature coefficient such as a composite metal oxide, or the like is suitable.

ここで各部の材質について記載する。ガスセンサ基板１および温度センサ基板２の材質としては、適度な機械的強度を有し、且つエッチング等の微細加工に適した材質であればよく、特に限定されるものではないが、例えば、シリコン単結晶基板、サファイア単結晶基板、セラミックス基板、石英基板、ガラス基板等が好適である。接合部６は、金属材料を使用することも可能であるが、エポキシやアクリルなどの接着力のある樹脂が好適である。液体状のものであればディスペンス法などで塗布することが可能である。また、基材シートの両面にエポキシやアクリルなどの接着力のある樹脂を付着したシート形状のものを用いることもできる。接合部６に樹脂を使用することで、樹脂の分子構造の隙間から気体の分子が透過し、ガス透過性を持つことになる。パッド電極８、貫通電極１０、信号取出し電極１１の材質としては、電気的接続が容易な材質、例えば、アルミニウム（Ａｌ）、銅（Ｃｕ）、金（Ａｕ）、白金（Ｐｔ）等が好適であり、必要に応じて積層してもよい。接続電極１２の材質としては、パッド電極８と電気的接続が容易な材質、例えば、アルミニウム（Ａｌ）、銅（Ｃｕ）、金（Ａｕ）、白金（Ｐｔ）、ハンダ合金等が好適である。液体状のものであればディスペンス法などで塗布することが可能である。また、金バンプやハンダバンプを用いることもできる。検知電極１３およびヒータ電極１５の材質としては、工程中の熱処理に耐え得る耐熱性を有し、且つ適度な伝導性を有する比較的高融点の材質が好ましく、例えば、モリブデン（Ｍｏ）、白金（Ｐｔ）、金（Ａｕ）、タングステン（Ｗ）、タンタル（Ｔａ）、パラジウム（Ｐｄ）、イリジウム（Ｉｒ）、又はこれらの金属を２種類以上含む合金等が好適である。検知膜１４の材質としては、熱伝導式として使用する場合は、例えば、複合金属酸化物等の負の温度係数を有するサーミスタなどが好適である。あるいは一定の温度係数を持った白金（Ｐｔ）やニッケル（Ｎｉ）などの温度測温体でもよい。また、半導体式として使用する場合は、例えば、酸化錫、酸化タングステン、酸化インジウムなどの酸素の還元による抵抗変化を有する金属酸化物が好適である。接触燃焼式として使用する場合は、例えば、白金（Ｐｔ），パラジウム（Ｐｄ）などの触媒金属をアルミナで担持した燃焼触媒が好適である。下部絶縁膜１６および中間絶縁膜１７および上部絶縁膜１８の材質としては、適度な機械的強度を有し、且つ公知の薄膜プロセスで容易に形成できるものであればよく、特に限定されるものではないが、例えば、シリコン酸化膜、シリコン窒化膜等が好適である。 Here, the material of each part is described. The material of the gas sensor substrate 1 and the temperature sensor substrate 2 is not particularly limited as long as the material has an appropriate mechanical strength and is suitable for fine processing such as etching. A crystal substrate, a sapphire single crystal substrate, a ceramic substrate, a quartz substrate, a glass substrate, or the like is preferable. A metal material can be used for the joint 6, but a resin having adhesive strength such as epoxy or acrylic is suitable. If it is liquid, it can be applied by a dispensing method or the like. Moreover, the sheet-shaped thing which adhered resin with adhesive force, such as an epoxy and an acryl, to both surfaces of a base material sheet can also be used. By using a resin for the joint 6, gas molecules permeate through gaps in the molecular structure of the resin and have gas permeability. The material of the pad electrode 8, the through electrode 10, and the signal extraction electrode 11 is preferably a material that can be easily electrically connected, for example, aluminum (Al), copper (Cu), gold (Au), platinum (Pt), and the like. Yes, they may be laminated as necessary. As a material of the connection electrode 12, a material that can be easily electrically connected to the pad electrode 8, for example, aluminum (Al), copper (Cu), gold (Au), platinum (Pt), solder alloy, or the like is preferable. If it is liquid, it can be applied by a dispensing method or the like. Gold bumps and solder bumps can also be used. The material of the detection electrode 13 and the heater electrode 15 is preferably a relatively high melting point material having heat resistance that can withstand heat treatment in the process and appropriate conductivity. For example, molybdenum (Mo), platinum ( Pt), gold (Au), tungsten (W), tantalum (Ta), palladium (Pd), iridium (Ir), or an alloy containing two or more of these metals is preferable. As a material of the detection film 14, for use as a heat conduction type, for example, a thermistor having a negative temperature coefficient such as a composite metal oxide is suitable. Alternatively, a temperature measuring body such as platinum (Pt) or nickel (Ni) having a certain temperature coefficient may be used. When used as a semiconductor type, for example, a metal oxide having a resistance change due to reduction of oxygen, such as tin oxide, tungsten oxide, and indium oxide, is preferable. When used as a catalytic combustion type, for example, a combustion catalyst in which a catalytic metal such as platinum (Pt) or palladium (Pd) is supported on alumina is suitable. The material of the lower insulating film 16, the intermediate insulating film 17, and the upper insulating film 18 is not particularly limited as long as it has an appropriate mechanical strength and can be easily formed by a known thin film process. For example, a silicon oxide film, a silicon nitride film, etc. are suitable.

以上のような構成により、ガスセンサ１００は、ガスセンサ基板１の表面のガスセンサ素子３と温度センサ基板２の表面の温度センサ４が対面して間に空洞部５が形成されるように、接合部６で接合してパッケージされることで、温度センサ基板２がパッケージと温度センサの２つの機能を持った小型で高精度のガスセンサが可能となる。 With the above-described configuration, the gas sensor 100 includes the joint 6 so that the gas sensor element 3 on the surface of the gas sensor substrate 1 and the temperature sensor 4 on the surface of the temperature sensor substrate 2 face each other and the cavity 5 is formed therebetween. Thus, the temperature sensor substrate 2 can be a small and highly accurate gas sensor having two functions of a package and a temperature sensor.

（第２実施形態）
図４に示す第２実施形態のガスセンサ２００は、温度センサ４がガスセンサ素子３と概ね重なる位置に来るように配置されている。温度センサ４が空洞部５を挟んでガスセンサ素子３と重なる位置にあることで、ガスセンサ素子３が加熱された状態の環境温度を精度よく測定することが可能となる。 (Second Embodiment)
The gas sensor 200 according to the second embodiment shown in FIG. 4 is arranged so that the temperature sensor 4 comes to a position that substantially overlaps the gas sensor element 3. Since the temperature sensor 4 is positioned so as to overlap the gas sensor element 3 with the cavity 5 interposed therebetween, it is possible to accurately measure the environmental temperature in a state where the gas sensor element 3 is heated.

（第３実施形態）
図５に示す第３実施形態のガスセンサ３００は、温度センサ基板２に温度センサ４と信号処理回路１９が形成されている。温度センサ基板２に信号処理回路１９が形成されることで、外部に信号処理回路が不要となり、より小型なガスセンサが可能となる。 (Third embodiment)
In the gas sensor 300 of the third embodiment shown in FIG. 5, the temperature sensor 4 and the signal processing circuit 19 are formed on the temperature sensor substrate 2. By forming the signal processing circuit 19 on the temperature sensor substrate 2, no signal processing circuit is required outside, and a more compact gas sensor is possible.

（第４実施形態）
第４実施形態は、ガスセンサ基板１と温度センサ基板２を接合する接合部６が外部との通気手段すなわちガス透過性を備える。接合部６がガス透過性を備えることで、通気孔７がなくても対象ガスを導入する機能を持つことが可能となる。これにより通気孔７を形成する工程が不要になり工程の簡易化が可能で、ガスセンサ基板１の有効面積も増加する。更に、通気孔７から埃などが侵入してガスセンサ素子３や温度センサ４が望まない影響を受けることを防ぐことが出来る。 (Fourth embodiment)
In the fourth embodiment, the joint 6 that joins the gas sensor substrate 1 and the temperature sensor substrate 2 is provided with a ventilation means, that is, gas permeability, to the outside. By providing the joint 6 with gas permeability, it is possible to have a function of introducing the target gas without the vent hole 7. As a result, the step of forming the air holes 7 is not required, the process can be simplified, and the effective area of the gas sensor substrate 1 is increased. Furthermore, it is possible to prevent dust and the like from entering through the air holes 7 and undesirably affecting the gas sensor element 3 and the temperature sensor 4.

（第５実施形態）
第５実施形態は、ガスセンサ基板１と温度センサ基板２を接合する接合部６の外周の一部に接合部６が存在しないことで外部との通気手段を備える。図６に示すように、接合部６の一部に通気部２０が形成される。通気部２０により通気孔７がなくても対象ガスを導入する機能を持つことが可能となる。これにより通気孔７を形成する工程が不要になり工程の簡易化が可能で、ガスセンサ基板１の有効面積も増加する。図６では通気部２０は１か所であるが、２か所以上でもかまわない。 (Fifth embodiment)
The fifth embodiment is provided with a means for venting to the outside because the joining portion 6 does not exist at a part of the outer periphery of the joining portion 6 that joins the gas sensor substrate 1 and the temperature sensor substrate 2. As shown in FIG. 6, a ventilation part 20 is formed in a part of the joint part 6. The ventilation part 20 can have a function of introducing the target gas without the vent hole 7. As a result, the step of forming the air holes 7 is not required, the process can be simplified, and the effective area of the gas sensor substrate 1 is increased. In FIG. 6, there is one ventilation portion 20, but two or more ventilation portions 20 may be used.

（変形例）
図７に示す変形例のガスセンサ４００は、ガスセンサ素子３と温度センサ４が２組ある構造である。ガスセンサ素子３が複数あることで、複数の対象ガスを検知するガスセンサが可能となる。ガスセンサ素子３を異なる方式にすることで、多様なガス検知が可能となる。また、ガスセンサ基板１は複数のガスセンサ素子３を備えるためサイズが大きくなり、それに伴い温度センサ基板２も大きくなるため、信号処理回路１９に使える領域が大きくなるので多機能な回路が可能となる。サイズが大きくなってもガスセンサ３００を２組で構成するよりもサイズ効率は向上する。 (Modification)
The gas sensor 400 of the modification shown in FIG. 7 has a structure in which two sets of the gas sensor element 3 and the temperature sensor 4 are provided. Since there are a plurality of gas sensor elements 3, a gas sensor that detects a plurality of target gases is possible. Various gas detection becomes possible by making the gas sensor element 3 into a different system. In addition, since the gas sensor substrate 1 includes a plurality of gas sensor elements 3, the size increases, and the temperature sensor substrate 2 also increases accordingly. Therefore, an area usable for the signal processing circuit 19 is increased, and thus a multifunctional circuit is possible. Even if the size is increased, the size efficiency is improved as compared with the case where the gas sensor 300 is configured in two sets.

（第１実施例）
実際に、第１実施形態におけるガスセンサ１００を以下の手順で作製した。まず、ガスセンサ基板１として、シリコン基板を用意し、ガスセンサ基板１の電極パッド８と電気的な接続を採るための穴をＤＲＩＥ法によるドライエッチングにより基板の厚みの８０％まで形成した。穴の内部にスパッタ法により薄くＴｉ層を形成したのちメッキ法により穴の内部をＣｕで埋め込んだ。その後穴を形成した面と反対側の面からカバー２の厚みの２０％をＣＭＰにより研磨することにより穴内に埋め込まれたＣｕを露出させて貫通電極１０を形成した。その後、ガスセンサ基板１の表面に貫通電極１０の電気的な接続を補助する電極として、Ｃｕをスパッタ工程およびフォトリソグラフィを用いて形成した（図示せず）。その後、ガスセンサ基板１の裏面に外部との信号取出し電極１１を同様の工程で形成した。 (First embodiment)
Actually, the gas sensor 100 according to the first embodiment was manufactured by the following procedure. First, a silicon substrate was prepared as the gas sensor substrate 1, and holes for electrical connection with the electrode pads 8 of the gas sensor substrate 1 were formed up to 80% of the thickness of the substrate by dry etching using the DRIE method. After forming a thin Ti layer inside the hole by sputtering, the inside of the hole was filled with Cu by plating. Thereafter, 20% of the thickness of the cover 2 was polished by CMP from the surface opposite to the surface on which the hole was formed, thereby exposing the Cu embedded in the hole to form the through electrode 10. Thereafter, Cu was formed on the surface of the gas sensor substrate 1 as an electrode for assisting the electrical connection of the through electrode 10 using a sputtering process and photolithography (not shown). Thereafter, an external signal extraction electrode 11 was formed on the back surface of the gas sensor substrate 1 by the same process.

次に、ガスセンサ基板１の表面に、ＴＥＯＳ（Ｔｅｔｒａ−Ｅｔｈｙｌ−Ｏｒｔｈｏ−Ｓｉｌｉｃａｔｅ）−ＣＶＤ法によりＳｉＯ２膜を成膜することで、厚さ０．４μｍの下部絶縁膜１６を形成した。さらに、ガスセンサ基板１の裏面にもＳｉＯ２膜を形成した（図示せず）。その後、下部絶縁膜１６の上で、ヒータ電極１５の電極パッド８を配置する部位にフォトリソグラフィによりエッチングマスクを作成し、ウェットエッチング処理を施し、下部絶縁膜１６のＳｉＯ２膜を除去することで開口を形成し、電子ビーム蒸着法により厚さ０．４μｍのＡｕ金属薄膜を形成し、リフトオフ法により、開口を充填するように形成したＡｕ金属薄膜以外の部位のＡｕおよびマスクを除去し、貫通電極１０とヒータ電極１５を接続するパッド電極８を形成した。 Next, an SiO 2 film was formed on the surface of the gas sensor substrate 1 by TEOS (Tetra-Ethyl-Ortho-Silicate) -CVD method to form a lower insulating film 16 having a thickness of 0.4 μm. Further, a SiO2 film was also formed on the back surface of the gas sensor substrate 1 (not shown). Thereafter, an etching mask is formed by photolithography on the lower insulating film 16 where the electrode pad 8 of the heater electrode 15 is disposed, wet etching is performed, and the SiO 2 film of the lower insulating film 16 is removed to open the opening. The Au metal thin film having a thickness of 0.4 μm is formed by the electron beam evaporation method, the Au and the mask other than the Au metal thin film formed so as to fill the opening are removed by the lift-off method, and the through electrode is formed. A pad electrode 8 connecting the heater 10 and the heater electrode 15 was formed.

次に、下部絶縁膜１６の上に高周波マグネトロンスパッタ法により、厚さ５ｎｍのＴｉからなる密着層（図示せず）を形成し、その上に、厚さ１００ｎｍのＰｔからなる金属層をほぼ全面に形成した。なお、Ｔｉからなる密着層はＰｔからなる金属層と下部絶縁膜１６とを密着させるための密着層である。なお、必要に応じて、Ｔｉからなる密着層はなくてもよい。その後、形成された金属層に、フォトリソグラフィにてミアンダ状など所望の形状のエッチングマスクをフォトレジストで形成した後、エッチングマスクで覆われていないＰｔからなる金属層および、Ｔｉからなる密着層をイオンミリング法によりエッチングした。そして、エッチングマスクを除去することにより、ヒータ電極１５を所望の形に形成した。 Next, an adhesion layer (not shown) made of Ti having a thickness of 5 nm is formed on the lower insulating film 16 by high-frequency magnetron sputtering, and a metal layer made of Pt having a thickness of 100 nm is formed on the entire surface. Formed. The adhesion layer made of Ti is an adhesion layer for bringing the metal layer made of Pt into contact with the lower insulating film 16. If necessary, there is no need for an adhesion layer made of Ti. After that, an etching mask having a desired shape such as a meander shape is formed on the formed metal layer by photolithography, and then a metal layer made of Pt that is not covered with the etching mask and an adhesion layer made of Ti are formed. Etching was performed by ion milling. Then, the heater electrode 15 was formed in a desired shape by removing the etching mask.

次に、ガスセンサ素子３を形成するにあたり加熱手段であるヒータ電極１５と電気的に絶縁するための中間絶縁膜１７を形成した。ＴＥＯＳ（Ｔｅｔｒａ−Ｅｔｈｙｌ−Ｏｒｔｈｏ−Ｓｉｌｉｃａｔｅ）−ＣＶＤ法によりＳｉＯ２膜を成膜することで、厚さ０．４μｍの中間絶縁膜１７を形成した。ここで下部絶縁膜１６と同じＳｉＯ２膜とすることで、ヒータ電極１５の動作時における熱ストレスに対しても強固に保護膜としての機能を果たす。その後、中間絶縁膜１７の上で、検知電極１３の電極パッド８を配置する部位にフォトリソグラフィによりエッチングマスクを作成し、ウェットエッチング処理を施し、中間絶縁膜１７、下部絶縁膜１６のＳｉＯ２膜を除去することで開口を形成し、電子ビーム蒸着法により厚さ０．８μｍのＡｕ金属薄膜を形成し、リフトオフ法により、開口を充填するように形成したＡｕ金属薄膜以外の部位のＡｕおよびマスクを除去し、貫通電極１０と検知電極１３を接続するパッド電極８を形成した。 Next, in forming the gas sensor element 3, an intermediate insulating film 17 for electrically insulating the heater electrode 15 as a heating means was formed. An intermediate insulating film 17 having a thickness of 0.4 μm was formed by forming a SiO 2 film by TEOS (Tetra-Ethyl-Ortho-Silicate) -CVD method. Here, by using the same SiO 2 film as the lower insulating film 16, it functions as a protective film firmly against thermal stress during the operation of the heater electrode 15. Thereafter, an etching mask is formed by photolithography on the intermediate insulating film 17 at a portion where the electrode pad 8 of the detection electrode 13 is disposed, and wet etching is performed, and the SiO 2 film of the intermediate insulating film 17 and the lower insulating film 16 is formed. An opening is formed by removing, an Au metal thin film having a thickness of 0.8 μm is formed by an electron beam vapor deposition method, and Au and a mask of a portion other than the Au metal thin film formed so as to fill the opening are formed by a lift-off method. The pad electrode 8 which removed and connected the penetration electrode 10 and the detection electrode 13 was formed.

次に、中間絶縁膜１７の上に、高周波マグネトロンスパッタ法により、厚さ５ｎｍのＴｉからなる密着層（図示せず）、および、厚さ１００ｎｍのＰｔからなる金属層を順次にほぼ全面に形成した。Ｔｉからなる密着層はＰｔからなる金属層と中間絶縁膜１７とを密着させるための密着層である。ここでも、必要に応じて、Ｔｉからなる密着層はなくてもよい。その後、形成された金属層に、フォトリソグラフィにて櫛歯状など所望の形状のエッチングマスクをフォトレジストで形成した後、エッチングマスクで覆われていないＰｔからなる金属層および、Ｔｉからなる密着層をイオンミリング法によりエッチングした。その後、エッチングマスクを除去することにより、検知電極１３を所望の形に形成した。 Next, an adhesion layer (not shown) made of Ti having a thickness of 5 nm and a metal layer made of Pt having a thickness of 100 nm are successively formed on the entire surface of the intermediate insulating film 17 by high-frequency magnetron sputtering. did. The adhesion layer made of Ti is an adhesion layer for bringing the metal layer made of Pt into contact with the intermediate insulating film 17. Here, if necessary, the adhesion layer made of Ti may be omitted. Then, an etching mask having a desired shape such as a comb-teeth shape is formed on the formed metal layer by photolithography, and then a metal layer made of Pt that is not covered with the etching mask and an adhesion layer made of Ti Was etched by ion milling. Thereafter, the detection mask 13 was formed in a desired shape by removing the etching mask.

次に、形成した検知電極１３の上に、スパッタ法により厚さ０．４μｍのＭｎＮｉＣｏ系複合酸化膜を成膜した。そして、フォトリソグラフィにより、所望のエッチングマスクを作成し、塩化第二鉄水溶液を用いてウェットエッチング処理し非マスク領域のＭｎＮｉＣｏ系複合酸化膜を除去した。その後、エッチングマスクを除去することにより、検知膜１４を形成した。以上により、抵抗値１４０ｋΩの対象ガスを検知する機能を持つガスセンサ素子３を形成した。 Next, a 0.4 μm thick MnNiCo-based composite oxide film was formed on the formed detection electrode 13 by sputtering. Then, a desired etching mask was prepared by photolithography, and wet etching treatment was performed using a ferric chloride aqueous solution to remove the MnNiCo-based composite oxide film in the non-mask region. Thereafter, the detection film 14 was formed by removing the etching mask. Thus, the gas sensor element 3 having a function of detecting the target gas having a resistance value of 140 kΩ was formed.

次に、検知膜１４を覆うように、ＴＥＯＳ−ＣＶＤ法によりＳｉＯ２膜を成膜することで、厚さ０．４μｍの上部絶縁膜１８を形成した。その後、上部絶縁膜１８の上で、接続電極１２と接続されるパッド電極８が配置される部位を除く位置に、フォトリソグラフィによりエッチングマスクを作成し、ウェットエッチング処理を施し、下部絶縁膜１６、中間絶縁膜１７、上部絶縁膜１８のＳｉＯ２膜を除去することで開口を形成し、電子ビーム蒸着法により厚さ１．２μｍのＡｕ金属薄膜を形成し、リフトオフ法により、開口を充填するように形成したＡｕ金属薄膜以外の部位のＡｕおよびマスクを除去し、接続電極１２と接続されるパッド電極８を形成した。 Next, an SiO 2 film was formed by TEOS-CVD so as to cover the detection film 14, thereby forming an upper insulating film 18 having a thickness of 0.4 μm. Thereafter, on the upper insulating film 18, an etching mask is created by photolithography at a position excluding a portion where the pad electrode 8 connected to the connection electrode 12 is disposed, and a wet etching process is performed, and the lower insulating film 16, An opening is formed by removing the SiO 2 film of the intermediate insulating film 17 and the upper insulating film 18, an Au metal thin film having a thickness of 1.2 μm is formed by an electron beam evaporation method, and the opening is filled by a lift-off method. The Au and mask at portions other than the formed Au metal thin film were removed, and a pad electrode 8 connected to the connection electrode 12 was formed.

次に、ガスセンサ基板１の表面にフォトリソグラフィによってエッチングマスクを形成した後、ＨＦおよびＫＯＨを用いたウェットエッチングによって、ガスセンサ基板１の表面に対してキャビティ９を３０μｍの深さで形成した。ＨＦにより基板表面にある絶縁膜を除去した後、ＫＯＨ水溶液による異方性エッチングにより検知領域および信号を取り出すための梁部分を残してガスセンサ基板１を部分的に除去することで中空構造とした。最後に必要部分のカバーに用いたエッチングマスクを除去した。 Next, after forming an etching mask on the surface of the gas sensor substrate 1 by photolithography, the cavity 9 was formed to a depth of 30 μm with respect to the surface of the gas sensor substrate 1 by wet etching using HF and KOH. After the insulating film on the substrate surface was removed by HF, the gas sensor substrate 1 was partially removed by anisotropic etching with a KOH aqueous solution, leaving a beam portion for taking out a detection region and a signal, thereby forming a hollow structure. Finally, the etching mask used for covering the necessary part was removed.

最後に、ガスセンサ基板１の裏面にフォトリソグラフィによりエッチングマスクを形成したのち、フッ化物系ガスを用いた反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）によってガスセンサ基板１の裏面の熱酸化絶縁膜を除去した。熱酸化絶縁膜が除去された部分が、通気孔７となるので、エッチングマスクの形状を加工前にパターンを形成することで所望の形状を形成することが出来る。その後、フッ化物系ガスを用いたＲＩＥによって、熱酸化絶縁膜が除去された部分のガスセンサ基板１を除去し、直径が１００μｍ程度の通気孔７を形成してガスセンサ素子基板１０１が完成した。 Finally, after forming an etching mask on the back surface of the gas sensor substrate 1 by photolithography, the thermal oxide insulating film on the back surface of the gas sensor substrate 1 was removed by reactive ion etching (RIE) using a fluoride gas. Since the portion from which the thermal oxide insulating film has been removed becomes the vent hole 7, a desired shape can be formed by forming a pattern before processing the shape of the etching mask. Thereafter, the gas sensor substrate 1 where the thermal oxide insulating film was removed was removed by RIE using a fluoride-based gas, and the air holes 7 having a diameter of about 100 μm were formed to complete the gas sensor element substrate 101.

ガスセンサ基板１を除去し通気孔７を形成するに、エッチングとバリア層形成を交互に行いながら垂直に加工する深堀りＲＩＥ（Ｄｅｅｐ−ＲＩＥ、Ｄ−ＲＩＥ）法を用いた。Ｄ−ＲＩＥ法とは、Ｃ４Ｆ８ガスを用いて反応抑止膜（フルオロカーボン系ポリマー）をキャビティの側壁に堆積させることにより、主としてＦラジカルによる化学的なサイドエッチングを抑制するためのプラズマデポジション工程と、ＳＦ６ガスを用いてＦラジカルによるガスセンサ基板１の化学的エッチングとＦイオンによる反応抑止膜の物理的エッチングとにより、ガスセンサ基板１をほぼ垂直に異方性エッチングするためのプラズマエッチング工程とを交互に繰り返してガスセンサ基板１を深堀する方法である。 In order to remove the gas sensor substrate 1 and form the vent hole 7, a deep RIE (Deep-RIE, D-RIE) method in which vertical processing is performed while etching and barrier layer formation are alternately performed is used. The D-RIE method uses a C4F8 gas to deposit a reaction inhibiting film (fluorocarbon-based polymer) on the side wall of the cavity, thereby mainly suppressing a chemical side etching caused by F radicals; A plasma etching process for performing anisotropic etching of the gas sensor substrate 1 almost vertically is alternately performed by chemical etching of the gas sensor substrate 1 by F radicals using SF6 gas and physical etching of the reaction suppression film by F ions. This is a method of deepening the gas sensor substrate 1 repeatedly.

温度センサ基板２はガスセンサ基板１と同様にシリコン基板を用いた。ガスセンサ基板１の検知電極１３、検知膜１４、パッド電極８の形成と同様の手順でＭｎＮｉＣｏ系複合酸化膜の温度センサを形成した。温度センサ基板２の外周部にディスペンサを用いてエポキシ樹脂を塗布して接合部６を形成した。温度センサ基板２のパッド電極８にディスペンサを用いてＡｕペーストを塗布して、接続電極１２を形成した。 The temperature sensor substrate 2 was a silicon substrate in the same manner as the gas sensor substrate 1. A temperature sensor of the MnNiCo-based composite oxide film was formed in the same procedure as the formation of the detection electrode 13, the detection film 14, and the pad electrode 8 of the gas sensor substrate 1. An epoxy resin was applied to the outer periphery of the temperature sensor substrate 2 using a dispenser to form the joint 6. A connection electrode 12 was formed by applying Au paste to the pad electrode 8 of the temperature sensor substrate 2 using a dispenser.

ガスセンサ基板１と温度センサ基板２と接合部６、パッド電極８と接続電極１２の接合は両面ウエハアライナー・ボンダーを用いて、ウエハーレベルで位置合わせを行ったのち、ガスセンサ基板１と温度センサ基板２と接合部６、パッド電極８と接続電極１２を接触させて加熱硬化して形成した。 The gas sensor substrate 1 and the temperature sensor substrate 2 are joined to the joint portion 6 and the pad electrode 8 and the connection electrode 12 are joined at a wafer level using a double-sided wafer aligner / bonder, and then the gas sensor substrate 1 and the temperature sensor substrate 2 are joined. And the bonding portion 6, the pad electrode 8 and the connection electrode 12 were brought into contact with each other and heat-cured.

上記の構成を用いることにより、小型で高精度の測定が可能なガスセンサを構成することが出来ることを示した。 It has been shown that by using the above-described configuration, a small and highly accurate gas sensor can be configured.

本発明は、産業機器や環境モニタリング装置に搭載され、対象ガスを検知する用途に用いられる。 The present invention is mounted on industrial equipment and environmental monitoring devices, and is used for the purpose of detecting a target gas.

１ガスセンサ基板
２温度センサ基板
３ガスセンサ素子
４温度センサ
５空洞部
６接合部
７通気孔
８パッド電極
９キャビティ
１０貫通電極
１１信号取出し電極
１２接続電極
１３検知電極
１４検知膜
１５ヒータ電極
１６下部絶縁膜
１７中間絶縁膜
１８上部絶縁膜
１９信号処理回路
２０通気部
１００、２００、３００、４００ガスセンサ
１０１、１０２ガスセンサ素子基板 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Gas sensor board | substrate 2 Temperature sensor board | substrate 3 Gas sensor element 4 Temperature sensor 5 Cavity part 6 Junction part 7 Air hole 8 Pad electrode 9 Cavity 10 Through electrode 11 Signal extraction electrode 12 Connection electrode 13 Detection electrode 14 Detection film 15 Heater electrode 16 Lower insulating film Reference Signs List 17 Intermediate insulating film 18 Upper insulating film 19 Signal processing circuit 20 Ventilation part 100, 200, 300, 400 Gas sensor 101, 102 Gas sensor element substrate

Claims

A first substrate having a gas sensor element; a second substrate having a temperature sensor; a surface of the first substrate having the gas sensor element; a surface of the second substrate having the temperature sensor; A gas sensor comprising: a hollow portion formed by a joint portion for joining one substrate and the second substrate, wherein the hollow portion has a ventilation means.

The gas sensor according to claim 1, wherein at least a part of the temperature sensor is in a position overlapping the gas sensor element with the cavity portion interposed therebetween.

The gas sensor according to claim 1, wherein the second substrate includes a signal processing circuit that processes a signal from the gas sensor element.

The gas sensor according to any one of claims 1 to 3, wherein at least a part of the joining portion is a material constituting portion having gas permeability.

The gas sensor according to any one of claims 1 to 3, wherein the ventilation means is a ventilation portion of the joint portion.